深水FPSO发展现状与趋势

谭家翔

(中海油能源发展股份有限公司，天津 300452)



深水FPSO发展现状与趋势

谭家翔

(中海油能源发展股份有限公司，天津 300452)

考虑到深水FPSO设计复杂、定制化程度较高的现状，通过调研FPSO在全球的应用现状，分析国外主流FPSO设计企业在系泊缆、立管和转塔方面的设计情况，总结FPSO未来的发展特点。

深水FPSO；发展现状；发展趋势

1 FPSO全球应用概况

据Offshore Magazine统计，截止2015年8月,

全球已投入使用的FPSO约有161艘，FPSO应用较多的区域为巴西、英国、中国和西非，其中巴西为37艘，数量位列首位，具体分布如图1所示。

图1 全球FPSO地理分布

目前现有的FPSO运营模式主要有2种：一种是油田作业者为船东，例如,各大石油公司，其中中海油拥有的数目最多，为16艘；另一种是FPSO总包商作为船东，自主融资建造后租借给石油公司，BW offshore和SBM公司是代表，分别拥有14艘和13艘。

自从1977年FPSO Castellon使用以来，FPSO的技术发展迅速，其生产率覆盖范围包含7 000～250 000 bbl/d，储存容量覆盖范围包含24 000～2 200 000 bbl，总井口数多达163口，立管数多达80根。目前FPSO应用水深最深的是荷兰壳牌在美国墨西哥湾的Turitella，由SBM设计，水深为2 896 m。

全球FPSO发展大体上经历了4个阶段，即：

1)1976—1985年，为FPSO的早期发展阶段，单点系泊系统的应用使FPSO成为一种海上油气生产装置。

2)1986—1994年，为FPSO的成长期，这一时期FPSO技术得到迅速推广，数量以平均每年2艘以上的速度增加。

3)1995—1998年，为FPSO的扩展期，这一时期FPSO数量大幅增加，以平均每年8艘以上的速度递增。

4)1999年以来，FPSO的数量迅速增加，在技术上也得到较大突破，作业水深由原来的几百米到现在的几千米。特别是2002年以后，海上油气开发又在向LPGFPSO、LNGFPSO、LNGFSRU 、FPDSO 等形式发展。

在FPSO的40年发展历史中，最初的10年为FPSO概念形成阶段，并逐步开始商业应用；中间20年FPSO的概念和技术得到稳步发展并广泛被采用；后10年FPSO的数量迅猛增加，技术迅速提升，FPSO的应用领域也在不断拓宽。

2 FPSO组成系统及其设计

通常，一艘FPSO主要由船体、上部模块、转塔系统、系泊锚链及立管系统等组成。

2.1 FPSO船体

目前FPSO船体型式主要有3种：船型FPSO、多体式生产FPSO[1]和圆形FPSO，见图2，现有的绝大多数FPSO均为船型FPSO。目前FPSO船体主要有2种来源：一种是新建，另一种是由现有油轮进行改造。考虑是否新建的因素有：油田的设计寿命；项目的时间要求；市场现有可供改装的且设计要求油轮的可用性；油田经济性评估；船厂的建造总装能力。FPSO船体设计工作主要包括：总体设计、结构设计、轮机设计、电气设计和防腐设计等。

图2 FPSO的3种形式

目前国内船体建造主要由各大船厂来执行，主要有：上海外高桥造船厂、中船重工大连造船厂、中远船务造船厂、上海沪东中华造船(集团)有限公司、上海江南造船厂、大连新船重工船厂等。船体结构设计主要由708研究所承担。

2.2 上部模块

上部模块是FPSO的另一个核心系统，与油轮相比，FPSO多了生产工艺流程模块、火炬塔、特殊的外输油系统、首部输油系统以及直升机平台,见图3。FPSO上部模块各部分的布置是一项关键技术，要全面考虑这些构成合理布局以及他们之间的协调。

图3 FPSO 上部模块一般组成

目前，我国现有的FPSO设计中上部模块布置的顺序大体有两种方法[2]。

1)单点→生活楼→堆场→电站→热站→生产工艺流程模块→火炬塔→尾部外输油系统(如“渤海友谊”号、“渤海长青”号、“渤海明珠”号、“渤海世纪”号、“海洋石油113”号FPSO的布置)。

2)火炬塔→单点→生产工艺流程模块→热站→电站→堆场→生活楼→艉部外输油系统(如“南海奋进”号和“海洋石油111”号FPSO的布置)。

FPSO生产工艺功能是进行油、气、水等生产处理，大致分为三大类系统。

1)主要工艺系统。是指将各井口平台输送来的生产流体进行脱气、脱水及脱除杂质等的原油处理系统,以达到外输标准,同时要保证原油回收率最大。尚应考虑除砂、防蜡、破乳及消泡的措施。

2)辅助工艺系统。主要包括生产污水处理系统、火炬放空系统、化学药剂注入系统、开式排放及闭式排放系统及燃料气处理系统。

3)公用系统。主要包括热介质系统、仪表气系统、海水系统、柴汹系统及淡水/热水系统等。

海油工程股份有限公司是目前国内FPSO上部模块最大的设计、采办、建造商。

2.3 系泊系统

典型的系泊系统包括以下几个主要部分：绞车；导缆孔，系缆卷车和系链盘；连接器；锚链，钢缆和纤维缆；锚桩。

图4是一个典型的永久式系泊系统，采用了张紧式的系泊系统，锚桩采用吸力锚型式。

图4 永久式系泊系统

系泊系统设计是一项复杂的系统性工程，是针对具体项目分析和设计的高度定制化方案，并且还需要应用模型和计算机软件分析，以得到最佳设计方案[3]。设计系泊系统时主要考虑的影响因素有以下几个方面。

设计环境，船体特征，船体位移和运动，转塔位置和船体风向标效应，系泊缆材质，系泊缆分布。系泊缆材质类型从以往项目来看，主要有锚链、钢缆和聚酯纤维缆，具体选择受油田具体海况影响比较大，一般来说，对于深水(400 m以上)系泊，悬浮部分使用部分钢缆代替锚链，以增加系泊缆的强度，并减小顶部张力。在超深水(1 500 m以上)系泊中，通常采用更轻的聚酯纤维缆替代钢缆，聚酯纤维缆的优点是：强度/重量比大、弹性好，成本也比钢缆低得多。

目前国外设计系泊系统的主要有以下工程公司：

Aker Solutions；Amog Consulting；Cortland Company；Deepsea Group Ltd.；Floatec；Houston Offshore Engineering；KBR (Granherne Subsidiary)；Loc Norge As；MCS Kenny；Mooring System Solutions Pyt Ltd.；SBM Offshore；Sigma Offshore；Technip；Viking Sea Tech As；WorleyParsons；Offspring International (Oil)；Boskalis Offshore；SOFEC；Delmar System；Vryhof Engineering Ltd.；InterMoor；Cotec,Inc；London Marine Consultants

2.4 FPSO转塔系统

FPSO转塔是一个紧凑的多功能结构，包括多个独立的子系统。转塔结构集成了FPSO系泊系统，锚桩和立管的安装设备，流体输送系统包括清管器收发设备、测量、化学注入设备和水下控制等系统，是一个非常复杂、设备齐全的系统。

转塔系统作为FPSO的核心技术之一，主要被西方几家公司掌握，其技术难点主要包括转塔主体结构设计、轴承设计选型、滑环设计选型和龙门结构设计等。其中滑环系统和轴承系统科技含量高，技术难度尤其大，主要被几家公司所掌握。图5是一种用于深水FPSO的不可解脱式内转塔。

图5 转塔结构

全球的转塔设计机构有SBM、APL (NOV)、SOFEC(MODEC)、LMC(London Marine Consultants)、Teekay和Bluewater等公司。2003—2013年在全球深水领域FPSO转塔设计中，SBM、APL和SOFEC 3家占据了转塔市场份额的77%，其中SBM占比31%，APL占比27%，SOFEC占比19%，见图6。

图6 FPSO转塔市场份额

SBM、NOV(原APL)和MODEC均为全球领先的转塔设计机构，这3家企业均拥有转塔设计专利。这3家的转塔系统优缺点进行对比，见表1。

表1 国外品牌深水FPSO转塔系统优缺点分析

2.5 FPSO立管系统

海洋立管是油田开发的最关键的界面，海洋立管的总体设计，不仅对立管本身，而且对上部浮体的结构选择与设计、运动性能的好坏、油田的总体布局等，都有着重大的影响。FPSO上立管的选择和设计面临的首要挑战是：由于FPSO的运动给立管带来巨大的水动力而导致的疲劳损伤。

影响FPSO立管选型、设计的主要因素有：

海况/水深；

FPSO 运动响应要求；

立管终端位置及其安装方式；

立管内的温度控制；

立管尺寸；

油田规划/安装时间表/费用。

目前主流的立管类型有4种：钢悬链式立管、顶张力立管、柔性立管和混合塔式立管，见图7。

图7 深水FPSO立管系统类型

从实际应用来看，在同一项目中经常会使用多种类型立管，总体来看，钢悬链式立管和顶张力立管使用比例较高，如图8所示。

图8 深水FPSO立管系统不同类型使用比例

国际上知名的立管设计公司有Aker Soultions, SBM, Technip和2H offshore等。随着油气田开采走向越来越深的海域，新的立管设计型式也不断涌现。比如2H Offshore设计的自由站立式混合立管塔、Technip的采用干树TTR的FPSO设计等一些新概念。

图9 2H Offshore自由站立式混合立管塔

图10 Technip干树TTR

3 未来深水FPSO发展趋势概述

近年来，FPSO工作环境、水域深度的要求不断提高，市场需求逐渐多样化，FPSO和其他海上设施结合、集成更多功能，衍生出更多设备类型[4-6]，见图 11。

图11 FPSO发展类型

未来新建FPSO将逐渐以上述几类复合型FPSO为主。在性能方面，未来FPSO发展将呈现以下特点。

1)深水和超深水。特别是在西非、巴西和墨西哥湾，超深水FPSO比例较高。

2)抗冰/抗飓风。加拿大、挪威和俄罗斯等地区对FPSO抗冰性能要求较高，墨西哥湾和中国南海对抗飓风性能要求较高。

3)可解脱式转塔系泊系统。保证在飓风和破冰时的安全。

4)圆筒式FPSO。无需转塔，就能很好地适应风、浪、流对船体的影响，同时也可减少普通船体结构艏部和艉部的纵摇，使整体结构更稳定。

总的来说，未来FPSO将向着功能集成性更强、作业深度更深、抗灾害能力更强等方向发展。

[1] 许鑫,杨建民,李欣,等.海洋工程中多浮体系统的水动力研究综述[J].中国海洋平台,2014(4):1-8+13.

[2] 赵耕贤.FPSO设计综述[J].船舶,2005(6):1-5.

[3] 许鑫,杨建民,李欣,等.浮托驳船系泊定位的数值模拟与模型试验研究[J].水动力学研究与进展A辑,2013(4):471-481.

[4] WANG T, FENG Y. Advanced Development of Research on New Concept FPSOs [J]. Ship & Ocean Engineering, 2011(5):51.

[5] 谢彬,王世圣,喻西崇,等.FLNG/FLPG 工程模式及其经济性评价[J].天然气工业,2012,32(10):99-102.

[6] WON W, LEE S K, CHOI K, et al. Current trends for the floating liquefied natural gas (FLNG) technologies[J]. Korean journal of chemical engineering, 2014,31(5):732-743.On the Development Situation and Tendency of the Deep Water FPSO

TAN Jia-xiang

(CNOOC Energy Technology & Service-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

The deep water FPSO is a very complex and highly customized system. The current situation of development and application of FPSO in the world were investigated from view of design of mooring rope, riser and turret system of the deep water FPSO, the development tendency of deep water FPSO in the future were discussed also.

deep water FPSO; development situation; development tendency

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.017

2016-07-10

工信部项目(E-J214A004.01)

谭家翔(1965—)，男，学士，高级工程师

U674.38;P751

A

1671-7953(2016)05-0065-06

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋工程技术

E-mail:tanjiaxiang@cnooc.com.cn